海上风电工程技术资产数字化平台设计

摘要：海上风电场工程庞大复杂，该文针对重大工程数字资产建设和管理的需要及工程特点，运用BIM、IoT、大数据等技术，设计开发了海上风电工程资产数字化平台，运用于工程全生命周期的规划、设计、施工、运维等各个阶段，为海上风电工程数字化技术资产的创建、存储、利用提供了有力的工具，为海上风电大规模、低成本开发和快速可持续发展提供了技术支撑。

关键词：BIM;IoT;大数据;海上风电;数字资产

中图分类号：TP391     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）07-0092-03

海上风电场作为一项庞大的系统工程，具有建设条件复杂、专业种类众多、可到达性差、运行维护困难等特点，目前国内海上风电建设尚处于起步阶段，迫切需要通过数字化和信息化等手段，推动海上风电技术和管理的重大变革。

数字工程建设在国际大型项目中已经成为常态，许多重大工程通过BIM全生命周期的应用和数据收集，形成一套完整的数字资产，为后续运维管理提供良好的数据支撑。在数字化交付基础上，采用先进的管理思想及物联网、大数据等先进技术，将有助于实现工程全生命周期的数字化管理。

1 BIM

建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）起源于美国，1975年“BIM之父”——乔治亚理工大学的Chuck Eastman教授创建了BIM理念至今，BIM技术的研究经历了三大阶段：萌芽阶段、产生阶段和发展阶段。随着对BIM技术的不断探索，以及对建筑全生命周期的深入理解，把BIM比较多地定义为Building Information Modeling[1]。BIM是利用数字模型对建设项目进行设计、施工和运营的过程。BIM能够应用于工程项目规划、勘察、设计、施工、运营维护等各阶段，实现建筑全生命期各参与方在同一多维建筑信息模型基础上的数据共享，为产业链贯通、工业化建造和繁荣建筑创作提供技术保障[2]。

数字工程建设在国际大型项目中已经成为常态，例如英国伦敦CrossRail项目，业主通过BIM全生命周期的应用和数据收集，已形成一套完整的地铁电子资产，为后续运维管理提供良好的数据基础。同时国内核电、国网公司已基本实现数字化交付，采用先进的管理思想、强大的管理功能、领先的开发技术，完善的信息管理系统，对工程全生命周期的数字化进行全过程管理[3，4]。

2 物联网技术

物联网（IoT，Internet of  Things）即“萬物相连的互联网”，是互联网基础上的延伸和扩展的网络，将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，实现在任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，通过信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。IoT在智慧运维中的作用，包括实时数据采集、端到端的通讯、综合智能分析、优化运行控制等。对这些静态信息和实时测控信息进行融合，根据优化控制的要求，寻找合适的算法合理地来分配整个系统运行的效率。具体可应用在人员管理、空间管理、安全管理、能源管理等方面[5，6]。

3 项目意义

本数字化平台建设的意义在于：

1） 针对已完工风电工程项目，通过建立虚拟风场BIM信息模型，整合其前期零散的建设期档案，实现已完工风电工程的工程资产、档案数字化，对后续运维能力提供持续支持。同时，BIM可与运维对接，通过对运营大数据分析评估，提出后期技术改造推荐策略，并利用BIM模型，对技改策略进行仿真分析，验证其可行性与实际效果。

2） 针对新开工风电工程项目，实现海上风电工程项目的标准化流程管理，通过数字化手段实现海上风电场规划、设计、施工、竣工等数据信息的一体化、可视化和网络化管理并实现异地多方协调工作管理。竣工阶段形成一套可交付的和实际风电工程1：1信息还原的数字孪生虚拟风场竣工电子资产，将风场BIM模型与规划、设计、施工信息及电子数据有机结合，可用于海上风电工程智慧运维平台，通过运营期大量运行数据的集成实现集控、运维、生产管理、资产管理等功能。同时，通过大数据分析，对风电场运营效果进行评估，提出风场选址规划、机位布置、风机选择、调度控制等方面的优化意见，实现全生命周期的闭环管理。

3） 建立基于全生命周期的海上风电工程技术标准体系，包括规划、设计、施工、运维各阶段的相关标准、指导文件和编码标准等，为日后相关行业海上风电工程数字化工作的开展起到示范作用。

4） 在具体工程项目中应用虚拟风电场全生命周期工程数字化，形成一套完整的海上风电工程数字化技术资产，打造海上风电行业示范项目。

5） 针对海上风电工程项目所覆盖的感知、分析、预警、决策、控制等环节的业务特点，与先进的物联网、云计算、大数据、人工智能、区块链等新一代信息技术进行深度融合，构建数字化、智能化应用场景，在智能在线监测感知、设备健康智能管理、气象监测预警、风功率预测、风场运营评估等方面实现智慧技术融合和创新突破，实现“海上风电业务+智慧技术”的融合创新。

4 关键技术研究

本平台关键技术主要包括：

1） 参数化建模方法关键技术研究

通过对海上风电工程BIM各专业参数化建模方法进行研究，提高三维模型设计效率和精准度，透明化人员负荷，减少项目人员投入。同时，通过参数化建模方法的研究，完善各类标准化库，为后续工程打好基础。

2） 基于BIM+IoT+大数据的运维管理模式研究

针对海上运维特殊环境，考虑气象、人员、船舶、备件、发电量等相关因素，建立一套从人员优化、成本优化、时间优化和发电量优化的四个维度并适用于海上运维的管理模式。同时，运用RFID、大数据分析等技术，利用智能手持终端将巡检内容固化，实现巡检过程电子化、流程化，保障巡检过程质量可控有效，实现最优巡检路线和巡检计划自动推进，提升巡检效率和巡检质量。避免了传统巡检模式巡检效率低及后期可追溯性不强，不利于风电领域巡检工作多而杂等缺点。

3） 基于大数据的海上风电工程知识图谱构建技术研究

通过研究海上风电大数据知识图谱的构建模型和技术架构，搭建海上风电工程知识库，在汇聚和融合海上风电大数据知识资源的基础上，以大数据平台分布式存储和高性能计算为支撑环境，详细设计和实现实体知识抽取、实体对齐和关系发现、知识融合与语义丰富化、语义化存储、质量管理等技术，支持智能知识服务产品的研发，提升精准知识发现能力。

4） 基于云计算的设备智能预警技术研究

通过对设备运行数据在线监测，基于云算法对设备健康度进行评估并进行分级，包括设备健康、异常和故障，根据运行数据趋势可实现故障预测性预警，在故障发生前及时发现异常，通过大数据及专家库进行故障智能诊断，按照匹配程度推荐运检策略，操作人员通过选择确认故障及策略可直接生成最优计划排程，并一键进行工单派送，提高整个流程的效率。

5 面向全生命周期的海上风电工程数字资产平台

海上风电工程数字资产平台可运用于工程全生命周期各个阶段：

1） 规划阶段

海上风电工程智慧规划管理平台，集成全国风能气象地理信息数据，与三峡集团已投运风场运营大数据结合，通过大数据与人工智能算法，实现风场优化选址、项目预计经济性分析、风险分析等功能，对工程项目可行性进行初步评估。

海上风电工程智慧规划管理平台通过智能算法可实现最优风机机位自动布置和集电线路的自动布置，并根据布置方案自动生成短路电流计算报告书、海缆选型报告书和项目建设成本计算书，大大减少了可行性研究阶段耗费的时间成本，且保证了方案的经济性，便于更准确地预估和控制成本。对于变动情况，只需在软件平台进行调整输入即可立刻得到新的最优方案，无须人为手动重新计算。

2） 设计阶段

在设计阶段建设包括风机机组BIM模型、海上升压站BIM模型、海缆路由BIM模型、陆上集控中心BIM模型及地形地质BIM模型等在内的风电场全专业BIM信息模型，通过三维模型的精确定位及直观性进行碰撞检查、设计优化，以避免后续大量的施工返工工作;通过提取BIM信息模型中的信息可进行精确工程量计算，为造价控制、施工决算提供有利的依据;通过BIM模型移动端浏览及三维管综出图指导现场施工，减少现场变更，节约成本，缩短工期。

风电场碰撞检测及三维管线综合的主要目的是基于各专业模型，应用Bentley Navigator等BIM软件检查施工图设计阶段的碰撞，完成项目设计图纸范围内各种管线布置与结构、电气设备平面布置和竖向高程相协调的三维协同设计工作，以避免空间冲突，尽可能减少碰撞、优化设计，避免设计错误传递到施工阶段。通过整合结构、舾装、电气、暖通、给排水等专业模型，可形成整合的风场全专业BIM信息模型。

风电场三维设计是对传统二维设计的一次变革，它不仅是设计工具的更替，更重要的是设计模式的变更，由以前的串联模式变成现在的并行模式。通过基于BIM的风电场协同设计平台对整个风电场BIM设计工作流程进行管理和控制，并对校核或审批权限进行管理。通过多专业集成平台直接在设计中避开其他专业的碰撞，从而进行合理布置。且各專业三维模型实时更新，设计参数通过平台接口得到了有效的传递利用，提高了设计质量，避免了重复修改的过程。将项目周期中各个参与方集成在一个统一的工作平台上，改变传统的分散的交流模式，实现信息的集中存储和访问，从而缩短项目周期时间，增强信息的准确性和及时性，提高各参与方协同工作的效率，以“三维协同设计”方法对设计手段、设计流程实现再造，提高整体设计效率和质量。

3） 施工阶段

在施工安装阶段对规划设计阶段的风电场全专业BIM信息模型进行深化，并针对深化后的风电场BIM模型进行包括碰撞检测及三维管线综合优化、工程自动算量、4D施工模拟等在内的BIM应用优化，对设计模型进一步优化和深化，减少现场变更，缩短工期。同时，通过虚拟施工模拟对关键施工安装步骤进行仿真分析，验证工序流程的可行性，为实际施工安装提供有力指导。

施工安装结束后，形成完整的风电场BIM竣工电子资产，包括设计、施工阶段风电场完整BIM模型和包含完整属性信息的数据文档，便于业主对工程信息的多维度查询，也为后期风电场运维提供了完整的前期建设数据，对运营决策提供了支持帮助。

4） 竣工阶段

风电场从规划设计到建造施工过程中，建立了BIM全专业信息模型，再根据工程变更、现场实际情况，对BIM模型进行维护和调整，最终形成竣工BIM模型。在已有二维图纸、三维模型、报告、设备清单、编码规则等的基础上，通过一定的规则建立资产设施与人、空间以及各种数据文档的关联关系，形成工程竣工阶段的BIM电子资产信息交付平台。风电工程业主可分别从文档、工艺系统、空间位置、质量安全、单元工程及组织结构等多维度由三维模型出发进行工程信息的多种查询。同时，基于BIM的竣工电子资产信息也可以为后期风电场运营维护提供数据和决策支持，为海上风电全生命周期降本增效增砖添瓦。

5） 运维阶段

基于BIM信息模型的海上风电工程智慧运维平台功能包括全风场资产管理、集中监控、运维检修、评估交易、生产管理和综合展示等，利用前期大数据完成包括设备健康管理、智能故障诊断、预测性维护、最优运检计划排程、趋势分析、超短期功率预测、自动报警等在内的决策分析。通过对风场运维实际情况进行多维度评估，对整体运维集控策略进行迭代优化，同时，通过风场实际运行数据对前期规划设计和建造施工成果进行评估分析，提出优化意见，从而形成全生命周期完整的闭环解决方案。

6 结论

综合运用建筑信息模型、物联网、大数据等技术，设计开发海上风电工程技术资产数字化平台，可运用于工程规划、设计、施工、竣工、运维等全生命周期各个阶段，对工程数字化资产的建立、维护及运用均起到积极的作用，在实际工程建设中也取得了良好的效果。随着信息技术尤其是大数据及人工智能技术的不断发展，平台中的各类数据也将发挥更大的作用。

参考文献：

[1] 罗淑平，许桂芳.BIM技术在建筑设计及施工过程中的应用[J].价值工程，2018，37（3）：176-177.

[2] 罗岚，李永超，杨淼，等.基于BIM的全生命期障碍及应用绩效评价模型研究[J].工程管理学报，2018，32（1）：41-46.

[3] 金和平，柳东，张睿，等.基于BIM的水电资产全生命周期管理系统架构及实践[J].水电与抽水蓄能，2021，7（4）：7-14.

[4] Antony Oliver， CROSSRAIL AND BENTLEY SYSTEMS LAUNCH UK's FIRST DEDICATED BIM ACADEMY[J].Building Engineer，2012，87（10）：11.

[5] 买亚锋，张琪玮，沙建奇.基于BIM+物联网的智能建造综合管理系统研究[J].建筑经济，2020，41（6）：61-64.

[6] Dave B，Buda A，Nurminen A，et al.A framework for integrating BIM and IoT through open standards[J].Automation in Construction，2018，95：35-45.

【通联编辑：梁书】

收稿日期：2021-10-12

作者简介：卫慧（1971—），女，上海人，硕士，高级工程师，研究方向为工程数字化、智慧工程、地理信息系统与建筑信息模型研究与应用。